हम अपना OS: अंक 1 लिखते हैं

लेखों की यह श्रृंखला निम्न-स्तरीय प्रोग्रामिंग, यानी कंप्यूटर आर्किटेक्चर, ऑपरेटिंग सिस्टम के डिज़ाइन, असेंबली लैंग्वेज प्रोग्रामिंग और संबंधित क्षेत्रों के लिए समर्पित है। अब तक, दो हब्रायुज़र्स लिखने में लगे हुए हैं - इली और पेहट । कई हाई स्कूल के छात्रों, छात्रों और पेशेवर प्रोग्रामर के लिए, इन विषयों को सीखना बहुत मुश्किल है। निम्न-स्तरीय प्रोग्रामिंग पर बहुत सारे साहित्य और पाठ्यक्रम हैं, लेकिन एक पूर्ण और व्यापक चित्र प्राप्त करना कठिन है। कंप्यूटर, लोहा और सिलिकॉन के इस जटिल प्रणाली की वास्तव में कैसे काम करता है, यह कल्पना करने के लिए, कम से कम सामान्य शब्दों में, कोडांतरक और ऑपरेटिंग सिस्टम पर एक या दो किताबें पढ़ना मुश्किल है।



प्रत्येक अपने तरीके से सीखने की समस्या को हल करता है। कोई बहुत सारा साहित्य पढ़ता है, कोई जल्दी से अभ्यास करने और रास्ते में समझने की कोशिश करता है, कोई दोस्तों को वह सब कुछ समझाने की कोशिश करता है जो वह पढ़ता है। और हमने इन दृष्टिकोणों को संयोजित करने का निर्णय लिया। इसलिए, लेखों के इस पाठ्यक्रम में, हम एक सरल ऑपरेटिंग सिस्टम लिखने के लिए कदम से कदम दिखाएंगे। लेख एक अवलोकन प्रकृति के होंगे, अर्थात्, उनके पास व्यापक सैद्धांतिक जानकारी नहीं होगी, हालांकि हम हमेशा अच्छे सैद्धांतिक सामग्रियों के लिंक प्रदान करने और उत्पन्न होने वाले सभी प्रश्नों का उत्तर देने का प्रयास करेंगे। हमारे पास एक स्पष्ट योजना नहीं है, इसलिए आपकी प्रतिक्रिया को ध्यान में रखते हुए, कई महत्वपूर्ण निर्णय किए जाएंगे।



शायद हम जानबूझकर और खुद को गलत तरीके से किए गए निर्णय के सभी परिणामों को समझने की अनुमति देने के लिए विकास प्रक्रिया को एक ठहराव तक ले जाएंगे, और इस पर कुछ तकनीकी कौशल भी पैदा करेंगे। इसलिए हमारे फैसलों को केवल सही के रूप में न लें और हमें आँख बंद करके विश्वास करें। हम एक बार फिर जोर देते हैं कि हम पाठकों से लेखों पर चर्चा करने में सक्रिय होने की अपेक्षा करते हैं, जो बाद के लेखों के समग्र विकास और लेखन को प्रभावित करें। आदर्श रूप से, मैं चाहूंगा कि कुछ पाठक समय के साथ प्रणाली के विकास में शामिल हों।



हम मान लेंगे कि पाठक पहले से ही असेंबलर और सी भाषाओं की मूल बातें, साथ ही साथ कंप्यूटर वास्तुकला की बुनियादी अवधारणाओं से परिचित है। यही है, हम यह नहीं बताएंगे कि एक रजिस्टर या कहें, रैंडम एक्सेस मेमोरी है। यदि आपके पास पर्याप्त ज्ञान नहीं है, तो आप हमेशा अतिरिक्त साहित्य का उल्लेख कर सकते हैं। अच्छे लेख वाली साइटों के संदर्भ और लिंक की एक छोटी सूची लेख के अंत में है। लिनक्स का उपयोग करने में सक्षम होना भी उचित है, क्योंकि सभी संकलन निर्देश इस प्रणाली के लिए विशेष रूप से प्रदान किए जाएंगे।



और अब - बिंदु के करीब। इस लेख के शेष भाग में, हम क्लासिक हैलो वर्ल्ड प्रोग्राम लिखेंगे। हमारी हैलो वर्ल्ड थोड़ी विशिष्ट होगी। यह किसी भी ऑपरेटिंग सिस्टम से लॉन्च नहीं किया जाएगा, बल्कि सीधे, इसलिए बोलने के लिए, नंगे धातु पर। इससे पहले कि हम सीधे कोड लिखना शुरू करें, आइए जानें कि हम वास्तव में ऐसा करने का प्रयास कैसे कर रहे हैं। और इसके लिए आपको कंप्यूटर को लोड करने की प्रक्रिया पर विचार करने की आवश्यकता है।



इसलिए, हम अपना पसंदीदा कंप्यूटर लेते हैं और सिस्टम यूनिट पर सबसे बड़ा बटन दबाते हैं। हम एक मज़ेदार स्क्रीनसेवर देखते हैं, सिस्टम यूनिट स्पीकर के साथ ख़ुशी से झूमती है और कुछ समय बाद ऑपरेटिंग सिस्टम बूट हो जाता है। जैसा कि आप जानते हैं, ऑपरेटिंग सिस्टम हार्ड ड्राइव पर संग्रहीत है, और यहां सवाल उठता है: ऑपरेटिंग सिस्टम ने रैम में जादुई रूप से बूट कैसे किया और चलना शुरू किया?



जानिए: किसी भी कंप्यूटर पर मौजूद सिस्टम इसके लिए ज़िम्मेदार है, और इसका नाम Windows नहीं है, आपकी भाषा नहीं है - इसे BIOS कहा जाता है। इसका नाम मूल इनपुट-आउटपुट सिस्टम, यानी मूल इनपुट-आउटपुट सिस्टम के रूप में डिकोड किया गया है। BIOS मदरबोर्ड पर एक छोटे से माइक्रोक्रिकिट पर स्थित है और बड़े ऑन बटन को दबाने के तुरंत बाद शुरू होता है। BIOS के तीन मुख्य कार्य हैं:

1. सभी जुड़े उपकरणों (प्रोसेसर, कीबोर्ड, मॉनिटर, रैम, वीडियो कार्ड, सिर, हथियार, पंख, पैर और पूंछ ...) का पता लगाएं और उचित संचालन के लिए जांचें। POST कार्यक्रम (पावर ऑन सेल्फ टेस्ट) इसके लिए जिम्मेदार है। यदि महत्वपूर्ण लोहा नहीं मिला है, तो कोई सॉफ़्टवेयर मदद नहीं कर सकता है, और इस बिंदु पर सिस्टम स्पीकर कुछ भयावहता को चीर देगा और यह ओएस पर बिल्कुल नहीं मिलेगा। चलो उदास के बारे में बात नहीं करते हैं, मान लें कि हमारे पास पूरी तरह से काम करने वाला कंप्यूटर है, आनन्दित होकर दूसरे BIOS फ़ंक्शन पर जाएं:
2. हार्डवेयर के साथ काम करने के लिए बुनियादी कार्यों के साथ ऑपरेटिंग सिस्टम प्रदान करना। उदाहरण के लिए, BIOS फ़ंक्शन के माध्यम से, आप स्क्रीन पर टेक्स्ट प्रदर्शित कर सकते हैं या कीबोर्ड से डेटा पढ़ सकते हैं। इसलिए, इसे मूल इनपुट-आउटपुट सिस्टम कहा जाता है। आमतौर पर, ऑपरेटिंग सिस्टम इन कार्यों को इंटरप्ट के माध्यम से एक्सेस करता है।
3. ऑपरेटिंग सिस्टम के बूटलोडर को शुरू करना। इस मामले में, एक नियम के रूप में, बूट सेक्टर को पढ़ा जाता है - भंडारण माध्यम का पहला क्षेत्र (डिस्केट, हार्ड ड्राइव, सीडी, फ्लैश ड्राइव)। मीडिया पोलिंग ऑर्डर को BIOS SETUP में सेट किया जा सकता है। बूट सेक्टर में एक प्रोग्राम होता है, जिसे कभी-कभी बूटलोडर कहा जाता है। मोटे तौर पर, बूटलोडर का कार्य ऑपरेटिंग सिस्टम के लॉन्च को शुरू करना है। ऑपरेटिंग सिस्टम को लोड करने की प्रक्रिया बहुत विशिष्ट और इसकी विशेषताओं पर अत्यधिक निर्भर हो सकती है। इसलिए, प्राथमिक बूटलोडर सीधे ओएस के डेवलपर्स द्वारा लिखा जाता है और स्थापना के दौरान बूट सेक्टर को लिखा जाता है। जब बूटलोडर शुरू होता है, तो प्रोसेसर वास्तविक मोड में होता है।

दुखद खबर: बूटलोडर का आकार केवल 512 बाइट्स होना चाहिए। इतना कम क्यों? ऐसा करने के लिए, हमें डिवाइस फ़्लॉपी डिस्क से परिचित होने की आवश्यकता है। यहाँ एक जानकारीपूर्ण तस्वीर है:







चित्र डिस्क ड्राइव की सतह को दर्शाता है। फ्लॉपी डिस्क में 2 सतहें होती हैं। प्रत्येक सतह पर रिंग के आकार के ट्रैक (ट्रैक) होते हैं। प्रत्येक ट्रैक को छोटे आर्कटिक टुकड़ों में विभाजित किया जाता है जिन्हें सेक्टर कहा जाता है। इसलिए, ऐतिहासिक रूप से, डिस्केट के क्षेत्र में 512 बाइट्स का आकार होता है। डिस्क पर बहुत पहले क्षेत्र, बूट क्षेत्र, ऑफसेट द्वारा 0x7C00 पर शून्य मेमोरी सेगमेंट में BIOS द्वारा पढ़ा जाता है, और इस पते पर नियंत्रण पारित किया जाता है। बूटलोडर आमतौर पर न केवल ओएस में मेमोरी में लोड होता है, बल्कि डिस्क पर संग्रहीत एक और बूटलोडर प्रोग्राम होता है, लेकिन किसी कारण से (सबसे अधिक संभावना है कि यह आकार है) एक सेक्टर में फिट नहीं होता है। और चूंकि अब तक हमारे ओएस की भूमिका बनल हैलोवर्ल्ड द्वारा निभाई गई है, हमारा मुख्य लक्ष्य कंप्यूटर को हमारे ओएस के अस्तित्व पर विश्वास करना है, यहां तक ​​कि एक सेक्टर पर, और इसे शुरू करना है।



बूट सेक्टर की व्यवस्था कैसे की जाती है? पीसी पर, बूट सेक्टर के लिए एकमात्र आवश्यकता अपने अंतिम दो बाइट में 0x55 और 0xAA मानों को सम्‍मिलित करने की है - बूट क्षेत्र का हस्‍ताक्षर। इसलिए, यह कम या ज्यादा स्पष्ट है कि हमें क्या करने की आवश्यकता है। कोड लिखते हैं! उपरोक्त कोड यासम असेंबलर के लिए लिखा गया है।

section .text
     use16
     org  0x7C00  ;      0x7C00
start:
     mov  ax, cs
     mov  ds, ax  ;   
 
     mov  si, message
     cld              ;    
     mov  ah, 0x0E    ;   BIOS
     mov  bh, 0x00    ;  
puts_loop:
     lodsb            ;     al
     test al, al      ;     
     jz   puts_loop_exit
     int  0x10        ;   BIOS
     jmp  puts_loop
puts_loop_exit:
     jmp  $           ;  
 
message:
     db   'Hello World!', 0
finish:
     times 0x1FE-finish+start db 0
     db   0x55, 0xAA  ;   

      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

. org 0x7C00



, ( , ) (puts_loop, puts_loop_exit, message



). , 0x7C00.

    mov         ax, cs
    mov         ds, ax

      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

(ds



) (cs



), , .



«Hello World!». 0x0E



0x10



. :

AH = 0x0E



( )

BH =



( , 0)

AL =



ASCII-



«jmp $



» . , . , .



«times 0x1FE-finish+start db 0



» ( ) . , .



, . , , — yasm. Linux. :

$ yasm -f bin -o hello.bin hello.asm
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

hello.bin . (, fd ).

$ dd if=hello.bin of=/dev/fd
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

, , , qemu VirtualBox. « ».

:

$ dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1024 count=1440
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

:

$ dd if=hello.bin of=disk.img conv=notrunc
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

qemu:

$ qemu -fda disk.img -boot a
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
    

qemu «Hello World!». . .

1. :
   • . . «Assembler DOS, Windows Unix»
   • DOS
2. :
   • ., . « C»
   • . « C»
3. :
   • . « »
   • . « : »
   • ., . « »
   • http://osdev.org
4. :
   • . « »
   • . « IBM PC. »
   • . «. »
5. • Dan Rollins’s TechHelp
   • Intel Software Developer Manual